Das Unsichtbare sichtbar machen

Transkript

1 `Hands on Particle Physics Das Unsichtbare sichtbar machen Humboldt-Universität zu Berlin

2 Detektoren die Augen der Teilchenphysiker Quelle Gegenstan d Detektor Teilchen sind zu klein, um sie mit bloßen Auge zu sehen Teilchen müssen wechselwirken, um nachweisbar zu sein.

3 Voraussetzung für den Nachweis: Wechselwirkung der Teilchen mit Materie Verschiedene Arten der Wechselwirkung: Schwerkraft: Elektromagnetisch: Stark: Schwach: gut für den Nachweis von Kometen, für Teilchen nicht sehr hilfreich Ionisation, Szintillationslicht Photoeffekt elektromagnetische Schauer (e ±, γ) Aussendung von Tscherenkow-Licht Kern-WW (Neutron-Nachweis), hadronische Schauer Neutrino-Nachweis (inverser β-zerfall)

4 Tscherenkow-Strahlung Teilchen kann in einem Medium mit Brechungsindex n schneller sein als Licht: Wasser: n = 1,33 Eis: n = 1,3 Diamant: n = 2,4 Gase: n 1 + 0,001.. Effekt wie bei Schall: Schallmauer (Machscher Kegel) Cherenkov-Kegel

5 Ihren Personalausweis, bitte. Masse Spin Ladung(en) Lebensdauer Zerfallsmodi Energie und Impuls liegen im Auge des Betrachters... E=mc 2 : Masse ist Energie im Ruhesystem Ladungen Elektromagnetisch Schwach Stark Gravitativ (Masse)

6 Impulsmessung: Prinzip Impuls = Masse Geschwindigkeit Stärke der Krümmung Impuls Richtung der Krümmung Ladung Rückführung der Impulsmessung auf eine Ortsmessung Häufig ganze Detektoren im Magnetfeld

7 Ortsmessung: z.b. Geiger-Müller-Zähler Ionisationsladungen driften zum Anodendraht elektrisches Signal durch Gasverstärkung Elektronische Auslese

8 Ortsbestimmung: Spurkammern Oft mehrlagig Messung von Flugrichtung und Zerfallsstrecke

9 Ortsbestimmung: Siliziumdetektoren Funktionsweise ähnlich zu einer in Sperrrichtung geschalteten Diode Ionisierende Teilchen erzeugen Elektron-Loch-Paare in Halbleiter, die über Elekronen abgesaugt werden Bessere Auflösung (Genauigkeit) als Drahtkammern (Streifenbreite ~20 µm) Oft in der Nähe des Wechselwirkungspunktes angebracht

10 Energiemessung: Prinzip Teilchen geben in Materie ihre Energie durch Produktion neuer Teilchen ab Schauer Anzahl der Teilchen im Schauer ist proportional zur Energie Messung von Szintillationslicht in den Nachweiszonen Nachweiszonen Absorber Teilchen ursprüngliches Teilchen am Ende absorbiert

11 Photovervielfacher-Röhren Auch PMT ( photo multiplier tube ) genannt Umwandlung von Licht in Spannungspuls Nachweis von Szintillationsund Tscherenkow- Licht

12 Messung der Energie: Kalorimeter (1/3) elektromagnetisches Kalorimeter Elektronen/Positronen und Photonen verursachen in Materie Schauer aus Photonen und Elektron-Positron- Paaren kurze, kompakte Schauer

13 Messung der Energie: Kalorimeter (2/3) hadronisches Kalorimeter Hadronen (z.b. Protonen, Pionen, Neutronen) verursachen in Materie Schauer aus weiteren Hadronen tiefe, ausgedehnte Schauer

14 Kalorimeter (3/3) Kalorimeter-Materilien: Kristalle, Blei, Ortsauflösung: ~5 cm 1 m

15 Besondere Teilchen Myon (1/10 Protonmasse) Neutrinos (fast masselos) Schwerere Ausgabe des Elektrons wenig Wechselwirkung mit Materie durchdringen fast alles hinterlassen nur wenig Energie elektrisch neutral, schwache Wechselwirkung mit Materie entkommen unerkannt und machen sich durch verschwundene Energie bemerkbar Tau (~2 Protonmassen) Schwerere Ausgabe des Myons Viele Zerfallskanäle, Zerfallskaskaden Neutrinos, leichtere Leptonen und Hadronen entstehen

16 Tau-Zerfälle Hadronen und Leptonen unter den Zerfallsprodukten mit entsprechenden Schauern Neutrinos verraten sich durch fehlende Energie Schwierig!

17 Unterscheidung der Teilchensorten el.-magn. Kalorimeter hadronisches Kalorimeter Spurkammer Myonkammer innen außen

18 Schematischer Aufbau eines Detektors Zwiebelschalenartiger Aufbau aus verschiedenen Komponenten Strahlrohr Magnet el.-magn. Kalorimeter hadron. Kalorimeter Eisenjoch Spurkammer Myonkammer

19 Der OPAL-Detektor hadronisches Kalorimeter & Eisenjoch elektromagnetisches Kalorimeter Myonkammern 12m Spurkammer Vertexdetektor Mikrovertexdetektor Magnet z-kammer Omni Purpose Apparatus at LEP ( )

20 Ein Ereignis im OPAL-Detektor

21 PC-Übung Viel Spass beim Klassifizieren der Z-Zerfälle bei der PC-Übung! Bitte Eingang zur Bibliothek im Erwin-Schrödinger-Zentrum benutzen Sachen müssen an der Garderobe abgegeben werden

22 `Hands on Particle Physics Von Berlin nach Genf, Afrika und zum Südpol - Teilchenphysik in Berlin/Brandenburg Martin zur Nedden Humboldt-Universität zu Berlin

23 DESY Hamburg CERN, Genf HU Berlin / DESY Zeuthen Reiseplan Namibia Südpol

24 Übersicht Motivation: Die Suche nach den Quellen der Kosmischen Strahlung Gammastrahlungs-Astronomie mit dem H.E.S.S.-Experiment Neutrino-Astronomie mit dem AMANDA/ IceCube-Experiment

25 Höhe (m) Ionisation Sommer 1912 Viktor Hess Nobelpreis 1936

26 Kosmische Strahlung Nicht-thermisches Spektrum (Potenzgesetz E - Γ) Beachtliche Leistung: Watt (~10 9 Sonnen) in der Milchstraße Zusammensetzung recht gut bekannt: vorwiegend Protonen, aber auch Kerne Quellen unbekannt LEP LHC

27 Sind Supernovareste die Quellen? Ausreichende Energiefreisetzung (de/dt) SN = 10. (de/dt) CR Elementzusammensetzung passt Diffusiver Schock- beschleunigungs- Mechanismus Röntgen Kassiopeia A Supernova, d = 2.8 kpc

28 Lokalisierung der Quellen? p υ γ Protonen und Kerne Isotrope Verteilung durch Ablenkung in Magnetfeldern Neutrinos Die Signatur zum Nachweis hadronischer Wechselwirkungen Praktisch keine Absorption in der Quelle oder bei der Ausbreitung Gammastrahlung Ensteht in hadron. und elektromagnet. Wechselwirkungen Relativ einfacher Nachweis

29 Die abbildende Tscherenkow- Technik Nachweis von Gammastrahlung Erdatmosphäre wird als Kalorimeter benutzt Nachweiszonen Absorber Teilchen

30 Die abbildende Tscherenkow- Technik Nachweis von Gammastrahlung Erdatmosphäre wird als Kalorimeter benutzt Teilchen Nachweiszonen Absorber Erdatmosphäre

31 Schauerdetektion ~ 10 km Teilchenschauer Brennebene Tscherenkow -Licht (5ns) ~ 120 m 120 m Lichtintensität Energiemessung At 100 GeV Lage des Bildes Schauerrichtung ~ 10 Photons/m 2 ( nm) Form des Bildes Primärteilchen

32 High Energy Stereoscopic System MPI für Kernphysik, Heidelberg Humboldt-Universität zu Berlin Ruhr-Universität Bochum Universität Hamburg Universität Kiel Ecole Polytechnique, Palaiseau College de France, Paris Universite Paris VI-VII LEA Saclay CESR Toulouse GAM Montpellier LAOG Grenoble Paris Observatory Durham University Dublin Inst. for Advanced Studies Charles University Prag Yerewan Physics Institute North-West University, Potchefstroom University of Namibia, Windhoek

33 Warum Namibia? Farm Göllschau, Khomas Hochland, 100 km von Windhoek Klarer Himmel 1000 h pro Jahr Galaktisches Zentrum kulminiert im Zenit Mildes Klima Einfacher Zugang

34 PMT-Kamera (960 Pixel) inklusive Ausleseelektronik Pixel-Größe: 0.16 Gewicht: 900 kg 13 m Spiegel (Fläche: 107 m 2 ) 382 sphärische Spiegel, f =15m Breite der Abbildungsfunktion:

35 Die Milchstraße Close by objects Supernovarest RX J1713 Sonne 30 kpc = Lichtjahre

36 Erstes Bild von RX J1713. in TeV- Gammastrahlung E Schwelle = 1 TeV = 1000 GeV Erstmals Gamma-Quelle über Morphologie identifiziert Wir sind noch nicht 100% sicher, dass die Gammastrahlung von Protonen und nicht von Elektronen stammt Nachweis von Neutrinos wäre gut. 0.5 Nature 432, 75 (2004) Röntgen Radius des H.E.S.S. Gesichtsfeldes (2.5 )

37 Neutrino-Astronomie Benutze Wasser oder Eis als Wechselwirkungsmedium Erde als Absorber von atmosphärischen Myonen Zurückweisung der von oben kommenden Myonen Schwache Wechselwirkung der Neutrinos Großes Detektorvolumen (~0.1 km 3 ) benötigt Proton Energiereiches Neutrino aus dem Weltall ( extraterrestrisch ) Energierarmes, von p erzeugtes Myon ( atmosphärisch )

38 Nachweis in Wasser oder Eis µ Beobachte Umwandlung von Neutrinos in z.b. Myonen Nachweis: Tscherenkow-Licht ν Lichtsensor

39 Am Südpol Ski-Loipe AMANDA Station km Tiefe

40 Der AMANDA Detektor 677 Optische Module an 19 Strängen Installation

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42 Ein Myon-Ereignis im AMANDA Detektor Reaktion: ν µ + N µ + X Display: Durchmesser ~ Signalstärke Farbe entspricht zeitlicher Abfolge Ein Myon (und damit Neutrino) von unten!!

43 Nachgewiesene Neutrinos Mehr als 3300 nachgewiesene Neutrino- Ereignisse nach einigen Jahren der Datennahme Nachweistechnik funktioniert Aber: Fast alle Neutrinos sind terrestrischen Ursprungs Brauchen größeren Detektor (~1 km 3 )

44 Die Zukunft: IceCube Faktor 10 größeres Detektorvolumen (~1 km 3 ) 80 Stränge, 4800 PMTs Installation Physik: Suche nach extraterrestrischen Neutrinos von Quellen in der Milchstrasse Dunkle Materie Andere Galaxien als Neutrino-Quellen Computer-Simulation

45 Zusammenfassung Methoden des Teilchennachweises aus der Teilchenphysik werden in der Astroteilchenphysik eingesetzt Teilchenphysik liefert Erkenntnisse auf kleinen (elementare Bausteine) UND großen Skalen (Universum) Gammastrahlungs- und Neutrino-Astronomie sind spannende Forschungsgebiete

46 Dank An Adelheid Sommer, Ulrike Behrens, Veronika Fetting, Martina Mende... Für die grossartige Organisation An Olf Epler und V. Petrov... Für die Arbeit am Computerpool und an der Videokonferenz Martin zur Nedden... Für die gute Zusammenarbeit ;-)